Электролитические процессы
- Анодная коррозия: растворение железа
$\text{Fe}\to {\text{Fe}}^{2+}+2e^{-}$.
Ионы ${\text{Fe}}^{2+}$ далее окисляются/гидролизуются и образуют гидроксиды/оксиды:
${\text{Fe}}^{2+}+2{\text{OH}}^{-}\to {\text{Fe(OH)}}_2$, далее к ${\text{Fe(OH)}}_3$/${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3$.
- Катодные реакции зависят от доступа кислорода и pH:
при аэробных условиях (нейтральная среда)
${\text{O}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}+4e^{-}\to 4{\text{OH}}^{-}$;
при анаэробных условиях — восстановление протонов/воды и/или сульфатов:
$2{\text{H}}_2\text{O}+2e^{-}\to {\text{H}}_2+2{\text{OH}}^{-}$,
${\text{SO}}_4^{2-}+8{\text{H}}^{+}+8e^{-}\to {\text{H}}_2\text{S}+4{\text{H}}_2\text{O}$ (микробиально обусловленное восстановление).
- Дифференциально-аэрационные и концентрационные элементы: зоны с большим содержанием кислорода становятся катодными, бедные кислородом — анодными, что даёт локальную коррозию (щелевые, точечные формы).
- Хлориды и солевой электролит повышают электропроводность грунта и способствуют депассивации / точечной коррозии (pitting) и SCC (солесодержащие среды).
- Странные/паразитные токи: токи вытекания, токи от насыпанных линий (струйные, DC утечки) ускоряют коррозию в местах утечки тока.
- Оценка скорости потерь по Фарадею:
$m=\frac{ItM}{nF}$,
для плотности тока $i$ толщина стального слоя теряется со скоростью
$\dot{\delta }=\frac{iM}{nF\rho }$,
где $M$ — молярная масса Fe, $n$ — число электронов, $F$ — число Фарадея, $\rho$ — плотность металла.
Меры защиты
- Цельное сочетание покрытие + катодная защита:
- Полимерные/эпоксидные/битумные покрытия и мастики — первичная барьерная защита.
- Катодная защита (CP): жертвенные аноды (Zn, Al, Mg) или анодные поля с током (impressed current). Практический критерий защиты: потенциал трубы относительно Cu/CuSO${}_4$ «защищён», обычно ориентир $-850{\text{mV vs Cu/CuSO}}_4$ и/или смещение потенциала более $-100\text{mV}$ при включении CP (используют разные стандарты).
- Электрическая изоляция и контроль посторонних токов: изоляционные муфты, заземление, маршрутизация кабелей, меры против блуждающих токов.
- Выбор материалов и конструктивные меры: антикоррозионные сплавы, упрочнённые покрытия в зонах с высокой агрессией, оптимизация сварных швов.
- Грунтовая предобработка: удаление агрессивных солей, использование инертного/контролируемого обратнонасыпного материала, дренаж для понижения влажности.
- Мониторинг и обслуживание: измерение потенциалов, электрохимические тесты (ER-пробы, циклическая поляризация), инспекция покрытия, регулярная проверка анодов и блоков CP.
- Биологические меры: при MIC — биоциды/регулирование редокс-условий и удаление органики (в сложных случаях).
Экологические последствия при утечке продукта
- Загрязнение почвы: попадание нефти/топлива/химии приводит к сорбции, изменение гидрофобности, гибели растительности, длительной рекультивации.
- Загрязнение и деградация подземных вод: образуются LNAPL/DNAPL-скопления, миграционные плюмы, сложные к удалению; растворимые компоненты (растворимые углеводороды, соли, растворители) ухудшают питьевую воду.
- Токсичность для биоты: острое и хроническое отравление почвенных организмов, растений, водных организмов; образование токсичных побочных продуктов (например, H2S при anaerobic biodegradation).
- Изменение редокс- и биогеохимических условий: биологическое окисление углеводородов потребляет кислород, создаёт анаэробные зоны, стимулирует рост анаэробных бактерий (сульфатредуцирующих), что может усилить коррозию соседних металлических объектов.
- Распространение растворённых металлов: коррозионные продукты (${\text{Fe}}^{2+}$, ${\text{Fe}}^{3+}$) и сопутствующие тяжёлые металлы могут мигрировать, изменять pH и подвижность других загрязнителей.
- Риск пожара/взрыва и эмиссии летучих органических соединений (VOC) — опасность для здоровья людей и атмосферы.
- Трудоёмкая и дорогая ликвидация: экскавация, осушка, биоремедиация, перехватные барьеры; при глубоком заглублении удаление и очистка сложнее.
- Дополнительные риски от применяемых мер: например, отходы анодных материалов (цинковые/алюминиевые) и продукты CP могут локально изменять химизм грунта.
Коротко: в грунте с переменным содержанием кислорода и солей коррозия идёт по механизму анодного растворения Fe и катодного восстановления кислорода или протонов, при этом хлориды и влажность усиливают скорость и локализованность повреждений; эффективные меры — целостные покрытия + корректно спроектированная катодная защита, контроль грунтовой химии и мониторинг; утечка продукта приводит к серьёзному загрязнению почвы и вод, токсичности, биогеохимическим сдвигам и большим затратам на рекультивацию.